slide1
Download
Skip this Video
Download Presentation
Úvod

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 40

Úvod - PowerPoint PPT Presentation


  • 177 Views
  • Uploaded on

Úvod. Sylabus ( Fischer , Šantrůček). 1. Úvod Celkový přehled hospodaření rostlin s energií. Základní principy přeměny energie. Energetický metabolismus rostlin - fotosyntéza a respirace. Anabolické a katabolické procesy – NADPH, NADH, ATP. 2. Primární procesy fotosyntézy

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Úvod' - rhea-howe


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
slide2

Sylabus (Fischer, Šantrůček)

1. Úvod

Celkový přehled hospodaření rostlin s energií. Základní principy přeměny energie. Energetický metabolismus rostlin - fotosyntéza a respirace. Anabolické a katabolické procesy – NADPH, NADH, ATP.

2. Primární procesy fotosyntézy

Záření, fotony, fotosyntetické pigmenty. Účinnost fixace sluneční energie rostlinami. Absorpce energie kvanta molekulou chlorofylu. Světelné reakce fotosyntézy. Fotosyntetický přenos elektronů (cyklický a necyklický). Štěpení vody, PSII, cytochromový b6f komplex, PSI. Mobilní přenašeče. Protonový gradient – sumarizace, využití pro fotofosforylaci. Chlororespirace.

3. Fotosyntetický aparát – struktura a evoluce

Evoluce fotosystémů a anténních komplexů. Chloroplasty - thylakoidní membrána - struktura, funkce, Fotosyntetické struktury Prokaryot, původ plastidů různých skupin Eukaryot. Genom plastidů, dynamika, transport proteinů z cytoplasmy. Změny během ontogenese.

4. Fotoinhibice, fotoprotekční mechanismy, energetická bilance listu a porostu

Fotoinhibice, fotopoškození a ochranné mechanismy.Xanthofylový cyklus. Fluorescence chlorofylu. Energie přijímaná, vydávaná a pohlcená listem a porostem.

slide3

5. Fotosyntetická fixace CO2, fotorespirace

Calvinův cyklus, rubisco, oxygenázová aktivita Rubisco, specifitní faktor, regulace aktivity enzymů. Fotorespirace.Tvorba a degradace škrobu, tvorba sacharosy, transport asimilátů z chloroplastů.

6. Metabolismus C4 a CAM

Příklady mechanismů redukce oxygenázové aktivity rubisco,strukturně funkční adaptace u C4 a CAM rostlin.

7. Průduchy a příjem CO2

Cesta CO2 do listu. Průduchy - stavba, výskyt a četnost průduchů. Transpirační koeficient. Signální úloha světla. Mechanismy otevírání a zavírání průduchů. Vliv vnějších a vnitřních faktorů.

8. Respirace

Úloha dýchání při růstu rostlin, vztah dýchání a fotosyntézy. Základní struktura mitochondrií. Biochemie a fyziologie dýchání. Pentózafosfátová dráha. Alternativní oxidáza a nefosforylující NAD(P)H dehydrogenázy.

9. Fyziologie a regulace fotosyntézy

Rychlost čisté a hrubé fotosyntézy. Vliv světelného záření, koncentraceCO2 a O2, teploty.

Koordinace metabolismu. Redoxní signalizace. Signální molekuly – PQ, thioredoxin, ROS, askorbát, glutathion. Koordinace světelných reakcí a fixace CO2. Regulace genové exprese.

slide4

Energie v živých systémech

    • Formy
    • Příjem
    • Výdej
    • Přeměny
slide5

Formy energie

Mechanická (vnější) - kinetická, potenciální (gravitace)

Vnitřní

- (jaderná energie)

- tepelná energie (teplota – pohyby molekul, interakce mezi molekulami)

- chemická energie (vazby mezi atomy - elektrony, orbitaly)

- uspořádanost - gradienty

- elektrická, …

Elektromagnetické záření

slide6

Změny vnitřní energie

(výměna s okolím – přenosy)

- elektromagnetické záření

- teplo

Wienův zákon posuvu

slide7

Příjem energie - zdroje

Chemická energie v přijatých látkách

Elektromagnetické záření (FAR, tepelné)

Teplo přijaté z okolí

Přirozené gradienty látek (např. rozdíly ve vodním potenciálu)

slide8

Výdej energie

Chemická energie v uvolněných látkách

Teplo odevzdané do okolí (skupenské teplo vypařování)

Elektromagnetické záření (FAR, tepelné)

Vytváření gradientů látek (např. osmotických potenciálů)

slide9

Přeměny energie (výčet jistě není úplný :-)

Elektromagnetické záření

– chemická energie

– energie gradientů

– tepelná energie

Energie gradientů

– chemická energie

– energie gradientů

– transport

Chemická energie

– chemická energie

– energie gradientů

– mechanická energie molekulárních motorů

– tepelná energie

Tepelná energie – energie gradientů, chemická, záření

slide10

Přeměny energie při fotosyntéze

Elektromagnetické záření

– chemická energie: P680 + chl a2 → P680+ + chl a2-

Chemická energie

– chemická energie: elektrontransportní řetězec (voda + ox. feredoxin + P680+ + chl a2- → kyslík + red. feredoxin + P680 + chl a2 )

– energie gradientů: elektrontransportní řetězec

(část energie elektronů → H + gradient)

Energie gradientů

– chemická energie: H + gradient + ADP + Pi → ATP

slide11

Přeměny energie

Energie gradientů

– chemická energie (syntéza ATP)

– energie gradientů (sekundární aktivní transport)

- iontů (stačí elektrický gradient)

- nenabitých částic (nutný symport, či antiport)

– transport (kořenový vztlak, objemový tok asimilátů)

Elektrochemický transmembránový potenciál iontů (H+)

– elektrická složka

– gradient látky

Nernstova rovnice:

E= 2,3.RT / F.z * log c1 / c2

z = náboj, F= Faradayova k.,

R – univerzální plyn. k., T - teplota

při 25°C: E = 0,059V/ z * log c1 / c2

(rovnovážný stav: 0,059 V při rozdílu koncentrací 1:10 pro z=1)

slide12

Přeměny energie

Chemická energie

– energie gradientů – primární aktivní transport

protonové pumpy: ATPázy (F- type: ATP-synthase,

V-, P-type)

PPi (tonoplast)

slide13

Přeměny energie

Chemická energie

– chemická energie - propojení reakcí endergonických a exergonických:

aA+bB = cC+dD

Určení směru reakcí – změna Gibbsovy volné E:

G’0 =RT . ln K’eq

= změna volné E při stand. podmínkách (pH 7, 25°C, 1M koncentraci všech složek!!! – určuje poměr složek reakce v rovnovážném stavu

Skutečná změna E

a tedy směr reakce

záleží na c složek!

Keq = [C]c[D]d/[A]a[B]b

slide15

Přeměny energie – pohánění reakcí

Chemická energie

– chemická energie - spřažení endergonických a exergonických reakcí (hydrolýzy ATP) – zajištěno aktivním místem enzymu

– výsledná změna G je součtem změn G dílčích reakcí

AMP~P~P  AMP~P + Pi

AMP~P  AMP + Pi

případně:

AMP~P~P  AMP + P~P

P~P  2 Pi(lze i využít např.PPi-dependent 6-P-fructokinase)

slide16

Spřažené reakce

Spřažené reakce na jednom enzymu:

ATP + H2O  ADP + PiDGo\' = -31 kJ/mol

Pi + glucose  glucose-6-P + H2O DGo\' = +14 kJ/mol

ATP+glucose ADP+glucose-6-P DGo\' = -17 kJ/mol

Reakce spřažené společným reaktantem (dva enzymy):

1: A + ATP B + AMP + PPiDGo\' = +15 kJ/mol

2:PPi + H2O  2PiDGo\' = –33 kJ/mol

Souhrnná reakce:

A + ATP + H2O  B + AMP + 2PiDGo\' = –18 kJ/mol

slide17

Spřažené reakce

Vazba CoA- využití E v následnéspřažené

reakci

- možnost využití velkého množství E

Substrátová fosforylace ADP

slide18
odbočka: Termodynamika x kinetika

Termodynamická uskutečnitelnost nevypovídá o skutečném běhu a kinetice!

  • reakce mohou mít vysokou aktivační energii – nutnost katalyzátoru (enzymu) – G je ale stejná!
  • vysoká aktivační energie je nutná u hydrolýzy sloučenin s makroergními vazbami (ATP)!
slide19

CO2 R-COO- = -COOH -CHO -CH2OH -CH3

Oxidace a redukce v živých systémech

klíčové procesy metabolismu – předávání energie ve formě elektronů

Postupné redukce/oxidace uhlíku

(při přeměně anorganického uhlíku na organický)

Elektonegativita prvků

H: 2,2 < C: 2,55 < O: 3,44

slide21

Oxidace a redukce v živých systémech

  • Přímý přenos samotného elektronu:
  • Fe2+ + Cu2+ = Fe3+ + Cu+
  • Přenos dvou atomů vodíku:
        • AH2 = A + 2e- + 2H+
  • B + 2e- + 2H+ = BH2
  • --------------------------------
  • AH2 + B = A + BH2
  • Přenos atomu vodíku a elektronu (H-) – opět 2e-
      • (př. NAD-dehydrogenázy)
  • Přímá inkorporace kyslíku do organické molekuly
  • (nepřímo opět 2 atomy H)
slide22

CO2 (-COO-) = -COOH -CHO -CH2OH -CH3

Oxidace a redukce organických látek

Redukce za „spotřeby“ NADPH

oxidace produkující NADH

NADH (FADH2) - především přenašeče elektronů do dýchacího řetězce

NADPH – anabolické reakce

Redukované formy vznikají: fotosyntézou, oxidativními reakcemi

slide23

NAD(P)+/NAD(P)H

NAD+ + 2e- + H+ NADH

NAD+ + 2e- + 2H+ NADH + H+

slide24

Redoxní potenciál

  • určuje změnu volné energie (G)
  • v jednoduchých redoxních
  • reakcích
  • G’0 = - z.F. E’0
slide25

NADH x NADPH

NAD+– přednostní využití v katabolismu

NADPH – přednostní využití v anabolických reakcích

G’0 = - z.F. E’0 závisí na koncentraci

- stejná pro NADH i NADPH

E’0 orientační poměr v buňce

slide26

Oxidace a redukce organických látek

- hospodaření s energií

při redukcích:někdy dochází kfosforylaci substrátu (je-li potřeba

dodání další energie k proběhnutí reakce)

při oxidacích:někdy dochází kfosforylaci produktu

může docházet k substrátové fosforylaci či vazbě CoA

(uchování energie – využití v další reakci)

může být tvořen protonový gradient

slide27

Energetický metabolismus rostlin

      • Fotosyntéza (chloroplasty)
      • Dýchání (mitochondrie)
  • zdroje energie a jejich dostupnost
        • orgánové a pletivové rozdíly (kořen, prýt, pokožka, …)
        • změny ve vývoji a diferenciaci
        • vliv dostupnosti vody a výživy
        • denní, sezónní změny
  • nutnost komplexní regulace metabolismu (aktivity
  • chloroplastů a mitochondrií) a výstavby struktur
  • (na úrovni celých rostlin i jednotlivých buněk)
slide28

Spotřeba energie v rostlině

(fixovaná světelná či uvolněná dýcháním)

  • Růst – tvorba biomasy(přeměna sacharidů na složky rostliny)
  • - spotřebaúměrná produkci
    • asimilátů
    • (ztráta cca 25 % produkce PG)
  • (2) Udržování struktur („bazální metabolismus“)- spotřeba úměrná hmotnosti bílkovin (u bylin i sušiny)
  • na udržování živých struktur rostlina denně prodýchá 1 – 2 % hmotnosti své biomasy (platí pro byliny)
  • (3) Transport– vstup (opětovný vstup) a výstup z floému
  • (4) Aktivní příjem minerálních živin- zejména NO3-
  • (5) Asimilace minerálních živin(zabudování do organických sloučenin, zejména redukce nitrátů) ….
slide29

Změny alokace sušiny do jednotlivých orgánů

během vegetace u pšenice

Larcher, 2001

fotosynt za d ch n

Energie záření

chem. energie

(ATP, NAD(P)H)

CO2

O2

Redukce za „spotřeby“ NADPH

BIOMASA

CO2 (-COO-) = -COOH -CHO -CH2OH -CH3

oxidace produkující NADH (FADH2)

FotosyntézaDýchání

teplo

slide31

Fotosyntéza

Zdroj energie – ATP, NADPH (redukční síly), transport vody

Zdroj metabolitů – anabolismus

Respirace

Zdroj energie – NADH, ATP (v noci,u nezelených pletiv), tepla

Zdroj metabolitů – u všech buněk (pro anabolismus)

Regulace – disipace nadbytečné energie ATP, obnovování NAD+ (dýchací řetězec)

+ oxidativní pentózofosfátová dráha (zdroj NADPH)

(oxidace a dekarboxylace bez spotřeby kyslíku)

slide32

Respirace je nezbytná i u zelených buněk

  • - dýchání v buňkách obsahujících choroplasty je na světle inhibováno jen na cca 30 % stavu za tmy
  • Význam:
    • tvorba uhlíkových skeletů (např. pro asimilaci N)
    • regulace
    • - disipace energie NADH (při fotorespiraci)
    • - ATP pro syntézu sacharózy
slide33

Schéma základního energetického metabolismu

rostlinné buňky

Fotosyntéza

Fotochemie

Calvinův cyklus

Respirace

Glykolýza + -oxidace

Krebsův cyklus

Dýchací řetězec

Pentóza-fosfátový

cyklus (OPPP)

Transport asimilátů,

tvorba škrobu

slide34

Základní regulace

energetického metabolismu rostlinné buňky

- na biochemické úrovni mezi cytoplasmou, chloroplasty a mitochondriemi (např. redox signalizace)

- na úrovni genové exprese mezi genomem, plastomem a chondriomem

slide35

Signalizace z chloroplastu (ukázka)

MDH – malát dehydrogenáza; FNR – ferredoxin-NADPH reduktáza;

FTR – ferredoxin-thioredoxin reduktáza; Fd – ferredoxin, Trx – thioredoxin,

Grx – glutaredoxin; RNS – reaktivní formy dusíku

slide36

Redoxní stav - NAD(P)/NAD(P)H a poměr ADP/ATP

- určení směru mnoha zvratných reakcí!

- kofaktory v klíčových reakcích

Vzájemná regulace metabolismu mezi organelami

slide37

Redoxní stav NAD(P)/NAD(P)H:

- vyrovnávání především antiportem metabolitů

- specifické signály

slide39

Jednoduché oxidoredukční děje zprostředkované

přenosem e- (metaloproteiny)

FeIII+ / FeII+ hem - cytochromy,

Fe-S – Rieskeho protein, ferredoxin, …

CuII+ / CuI+ např. plastocyanin

slide40

Přenašeče

e- a H+

v tylakoidní a

mitochondiální membráně

chinon

plastochinon

semichinon

ubichinon, koenzym Q10

hydrochinon

= chinol

ad